只要说到“高铁”,中国科学院力学研究所研究员杨国伟总是劲头十足。他告诉《中国科学报》,车辆行驶以滚动摩擦阻力为主,开快了才有气动阻力,高铁跑到380公里/小时,空气就变得像铜墙铁壁一样,占整个阻力90%以上。正是因为这个原因,航空空气动力专业的杨国伟“跨界”进入高铁研究。他的任务是进行高速列车气动优化设计和评估技术研究,打破“铜墙铁壁”,让列车提速。
从2008年与高铁结缘,杨国伟便全身心投入轨道交通的研究中。有着35年党龄的老党员杨国伟如是说,凡是科研人员,都有报国之心,高铁成功了他很自豪。1997年,杨国伟在日本东京大学做访问学者时,第一次乘坐了新干线,感觉真是太快了。他不禁回想起自己1985年坐火车从湖南娄底到邵阳,100公里的路途用了整整24个小时。他心想,什么时候咱们也能有这么快的轨道交通呢?没想到,机会竟然找上门来。
2008年,中国高速列车自主创新联合行动计划项目正式启动。杨国伟被指派参与高铁研究,搭建最高速度500公里/小时的动模型实验平台,通过数值仿真和优化设计,协助厂家设计性能更好的高速列车外形。但是,这么快的实验平台前无古人,如何实现呢?杨国伟回忆,大家提了很多方案,往往一试就失败,这非常正常,因为我们只有低速实验的直观经验,跑到500公里/小时谁都不知道会发生什么。
现实中,一列高速列车从零启动,达到380公里的时速需要几十公里的加速距离。杨国伟在力学所怀柔基地一间285米长的厂房里搭建了264米的实验平台。也就是说,他的团队必须在264米之内让1:8的列车模型加速到500公里/小时,开展气动实验,再安全停下来。这一难题几乎让杨国伟崩溃。3年多的时间里,他们废寝忘食尝试了各种方案,进行了上千次实验,好不容易解决了加速问题,在如何停下的问题上再次卡壳。
一个偶然的机会,杨国伟路过石景山游乐园,高速翻滚的过山车瞬间刹车的一幕迷住了他。他拉来同事一起研究。受此启发的非接触磁涡流减速方案终于让列车模型及时停了下来。历时7年,杨国伟团队成功搭建了世界上规模最大、实验速度最高、场景最全的双向运行高速列车动模型实验平台。后来,不论是“和谐号”还是“复兴号”,我国几乎所有高速列车的实验模型都在这里跑过。如果没有高铁,杨国伟是标准的航空人。
1996年,从西北工业大学飞机工程系博士毕业后,杨国伟先后在日本、德国交流工作,参与过空客A380相关设计和超声速飞机预研项目。2003年回国后,杨国伟在力学所组建起一支研发队伍,参与了一系列国产军机和ARJ21、C919、CR929等“明星”民用飞机的研发。从研究“天上飞”的,到研究“地上跑”的,心里会不会有落差?
杨国伟说,飞机60%的事故发生在起飞着陆阶段,而高铁的运行速度比民航客机起飞降落时还要高,许多问题更为复杂,在空气动力学领域的研究是相通的。而且,在他看来,高铁更有前景。高铁之后,杨国伟创新的脚步并没有停下。目前,他的团队承担了“十三五”“先进轨道交通”重点专项项目,为我国时速600公里高速磁浮列车研制提供技术支撑。随着速度提升,轮轨冲击力和作用力加剧,高速列车的速度极限在哪里?目前尚无答案。
杨国伟告诉记者,上世纪60年代日本发展高速铁路时,认为最高运营时速只有200公里,后来认识不断提升,现在认为最高运营时速为400公里左右,最高实验速度在600公里/小时左右。不过杨国伟表示,一味追求高速度并不合理,还要考虑成本核算——跑得越快,成本越高,维护费用和对线路条件的要求也越高。磁悬浮列车因为不接触地面,维护成本较低,还具有快起快停、转弯半径相对较小、噪音小等优点。
因此,虽然成本较高,仍是城市交通的选择之一。从380公里时速的高铁到600公里时速的磁悬浮,杨国伟领导建设的实验平台仍在改造升级。多年来,他清楚地认识到,从计算机仿真到地面实验、再到线路实验,一件工程产品的“出炉”需经过长时间的反复迭代、验证,即使实际应用之后,仍要针对运营中出现的问题不断改进,才能成为成熟的产品。
更让他有成就感的是培养了一批高铁人才,其团队已为我国高速列车设计和生产单位输送了5名博士研究生。如今,这些年轻人已逐渐成长为行业领军人才。今年1月获得“2019中国科学院年度先锋人物”称号时,杨国伟在发言最后振臂高呼:“中国高铁必将带领我们驶向美好的未来!”